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無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）具有控制靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于監(jiān)測(cè)、植保、巡檢、救災(zāi)等方面。無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間是衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)，是決定無(wú)人機(jī)的飛行范圍、獲取信息量、執(zhí)行任務(wù)數(shù)量與質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，如何有效地延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間目前有兩種方法：第一種方法是增加鋰電池的容量，但無(wú)人機(jī)的載重能力有限，鋰電池過(guò)重會(huì)影響其性能；第二種方法是及時(shí)地對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行充電，若使用傳統(tǒng)的有線插拔充電方式，會(huì)耗費(fèi)大量人力，且降低無(wú)人機(jī)的靈活性，若充電過(guò)程不需要人工干預(yù)則會(huì)大大提高無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的效率。

有學(xué)者提出無(wú)人機(jī)通過(guò)調(diào)整飛行的軌跡借助風(fēng)能來(lái)增加飛行時(shí)間，但此方法受環(huán)境條件的影響過(guò)大，并且飛行路徑的靈活性不足。有學(xué)者提出在無(wú)人機(jī)機(jī)翼上安裝光伏電池，但此方法過(guò)于依賴太陽(yáng)輻射，僅限制在白天運(yùn)行。并且這兩種技術(shù)只能針對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)，而多旋翼無(wú)人機(jī)沒(méi)有足夠的機(jī)翼來(lái)應(yīng)用。有學(xué)者提出激光波束技術(shù)給無(wú)人機(jī)充電，但此方法的電源始終要移動(dòng)靠近于無(wú)人機(jī)，增加無(wú)人機(jī)運(yùn)行的成本，而且激光會(huì)對(duì)生物體造成嚴(yán)重危害。

無(wú)線充電可以通過(guò)非物理直接接觸實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳輸，具有高安全性、強(qiáng)可靠性和易于實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，因此無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車充電、機(jī)器人充電等多領(lǐng)域得到了廣泛研究。無(wú)人機(jī)的高效自主無(wú)線充電將是推動(dòng)無(wú)人機(jī)發(fā)展的創(chuàng)新性方法，采用無(wú)人值守的充電基站對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線充電，可以彌補(bǔ)其短時(shí)運(yùn)行的局限性。

目前關(guān)于無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)的研究還較少，無(wú)線充電技術(shù)在無(wú)人機(jī)充電領(lǐng)域的應(yīng)用尚未成熟，存在一些問(wèn)題亟待解決，傳統(tǒng)的面對(duì)面式的磁耦合裝置存在對(duì)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性差、對(duì)無(wú)人機(jī)漏磁干擾強(qiáng)、耦合能力不足的問(wèn)題，因此有必要結(jié)合無(wú)人機(jī)特殊外形及實(shí)際工程特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種新型磁耦合裝置。

此外，當(dāng)前無(wú)線充電系統(tǒng)廣泛采用的副邊功率控制會(huì)過(guò)多增加無(wú)人機(jī)機(jī)載側(cè)的重量，可見(jiàn)研究一種無(wú)人機(jī)機(jī)載側(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕的功率控制方案對(duì)提升無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)具有重要意義。

圖1 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電示意圖

由于無(wú)人機(jī)異型結(jié)構(gòu)的特殊性和載荷的有限性，無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的四個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題為：①磁耦合裝置對(duì)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性；②裝載于無(wú)人機(jī)的接收側(cè)的重量；③充電控制方法；④無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)的電磁干擾。

針對(duì)以上問(wèn)題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）新能源學(xué)院等單位的科研人員對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的磁耦合裝置、能量傳輸拓?fù)?、功率控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于中大型多旋翼無(wú)人機(jī)的接收側(cè)輕量化無(wú)線充電系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)控制流程

圖3 無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)使用原邊功率控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)鋰電池精確的恒流/恒壓閉環(huán)充電，減輕了機(jī)載負(fù)重，提高了無(wú)人機(jī)充電系統(tǒng)的效率和實(shí)用性。科研人員使用了一種接收側(cè)重量為130g的正交磁結(jié)構(gòu)的耦合裝置，接收線圈較輕，利用Ansys-Maxwell進(jìn)行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)此耦合裝置具有磁場(chǎng)分布良好、耦合能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

研究人員最后建立了一個(gè)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)可有效地傳輸500W充電功率，整個(gè)系統(tǒng)效率為90.86%，可實(shí)現(xiàn)恒流/恒壓閉環(huán)充電。

本文編自2021年第17期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于正交式磁結(jié)構(gòu)及原邊功率控制的無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)”，作者為蔡春偉、姜龍?jiān)?等。